导航:摘要 本论文探讨了光谱椭圆偏光轮廓检测技术作为新的检测工具在监控 130 纳米和90 纳米节点多晶硅栅极工艺中的应用。研究结果表明，该方法能可靠地检测出多晶硅栅极轮廓异常（如细小缺角、足部或底切等）。
简介 蚀刻工艺中的常见问题是在多晶硅栅极底部出现细小缺角、足部等异常。引起多晶硅栅极异常的原因有很多，多晶硅中微粒尺寸的变化、蚀刻条件、离子注入能量和剂量都可以导致不同的轮廓。即使在单个芯片中，n 掺杂和 p 掺杂通常也会具有不同轮廓特征。严格控制栅极轮廓有助于改进晶体管速度分布，优化器件性能，并提高其可靠性。
监控栅极轮廓
在先进半导体工艺中，对栅极轮廓进行监控是非常关键的。传统技术几乎无法提供较好的多晶硅栅极轮廓在线监测方案。
光学椭圆偏光技术已在薄膜测量中得到长期应用。在过去的几年中，该技术同具有库匹配能力的软件相结合，已被用于提供快速、准确和精密的2维轮廓信息。该测量技术通常被称为SpectraCD(SCD)。它能提供周期性特征的横截面轮廓，例如2维光栅或密集接触孔等。
在研究中，我们对SCD是否能检测出蚀刻多晶硅栅极的轮廓异常进行了检验。如图1所示为两种传统的轮廓异常，小缺角和小足部。我们将讨论其中3方面的问题：(1)作为测量工具的新工艺能力;2)检测多晶硅轮廓缺陷能力及其3)与电气检验结果的相关性。
测量模型
对于多晶硅栅极显影后检查工艺，感兴趣的结构是位于防反射覆层、n掺杂或未掺杂多晶硅、栅极氧化物和块硅上面的光刻胶线条/间隙。光栅结构中的光刻胶线条被建模成库中的单个梯形。对于多晶硅栅极蚀刻后检查工艺，感兴趣的结构是位于栅极氧化层和块硅上面的蚀刻多晶硅线条/间隙。光栅结构中的蚀刻多晶硅线条被建模成具有附加的自由度以便检测缺角或足部。
试验结果
动态精度。通过取放并测量相同的晶片10次来获得动态精度结果。对于ADI和AEI，晶片在正常条件（最佳聚焦和最佳曝光能量）下进行制图。每片共测量5个区域。对于130纳米工艺节点晶片，一个区域包含两个位置，分别为n多晶硅和p多晶硅位置。对于90纳米工艺节点晶片，只测量一个位置。通过测得的原始数据，可计算出合并的3 s作为动态精度。
130纳米n多晶硅AEI晶片的动态精度。光栅间距为960纳米。顶部、中部和底部CD以及轮廓高度的动态精度均在0.1~0.3纳米范围之内。侧壁角度测量的精度为<0.1°。从这些晶片测得的其它动态精度结果如表1和2所示。根据这些数据所得出的CD和轮廓高度动态精度均为<0.5nm，侧壁角度精度为<0.2°。ITRS推荐的隔离线条测量CD精度要求为1.1纳米（130纳米工艺）和0.6纳米（90纳米工艺），因此该项新测量技术完全能满足ITRS要求。
CD相关性。该技术要成为可用的先进工艺测量方案，必须确保通过它所测得的CD与通过在线监控工具测得的结果具有良好的相关性。多数代工厂中目前使用的在线监控工具为CD-SEM。这里，我们将展示CD-SEM和SCD技术之间的CD相关性情况。
对于多晶硅ADI和AEI层，晶片均在正常轮廓下进行制图。在ADI层的整个晶片上使用都最佳聚焦，而曝光能量从从栏1逐渐降低到栏7。图2a所示为130纳米n多晶硅ADI晶片的CD相关性结果。这里共测量了3种不同间距：320纳米、540纳米和960纳米。在我们关注的CD范围中，R平方值均>0.99，这表明所有3种间距CD相关性线性良好。对于130纳米AEI晶片，共测量2种不同的间距：320纳米、和960纳米（如图2b）。同样，两种方法之间的CD相关性线性也非常好。并且，多晶硅ADI和AEI之间的线性CD相关性还表明SCD结果与从生产线上CD-SEM上获得的CD基线具有良好对比性。
SCD技术还可从CD相关性晶片中获得侧壁角度，而CD-SEM则不能方便地测量该属性。图3所示为130纳米多晶硅ADI晶片的侧壁角趋势。
密集光栅的侧壁角在不同曝光能量下非常一致，而对于隔离光栅则逐渐变化。SCD方法所得到的趋势与CD-SEM图像中趋势符合良好。侧壁角可作为轮廓质量的因素之一用于在线工艺监控。这一结果进一步表明，通过新技术测得的CD和侧壁角与现有的CD-SEM测量所得到的结果符合良好。
多晶硅AEI轮廓异常检测能力
我们准备了2种多晶硅AEI晶片，分别具有正常的蚀刻轮廓和异常蚀刻轮廓。在每片晶片上均具有n多晶硅和p多晶硅位置。研究中我们采用横截面SEM图像来检验具有异常或正常轮廓的位置。同时使用中部CD和底部CD之间的差异(作为区分正常和异常轮廓的数值因子。4个区域测量结果的平均值记为AE。
图4所示为正常和异常轮廓上的XSEM和SCD结果的比较。光栅间距为960纳米。中间显示的4幅图像为XSEM图像。上面的2幅图像是从正常轮廓晶片的n多晶硅和p多晶硅位置获得。这些轮廓非常陡峭。相反，下面的2幅图像则来自具有异常轮廓的晶片。通过比较n多晶硅位置的正常和异常轮廓，可以在n多晶硅位置观测到明显的足部。正常n多晶硅的AE值（8纳米）也与异常n多晶硅AE值(30.9纳米）明显不同。P多晶硅位置的结果与n多晶硅位置非常相似。另一方面，图4中显示的外侧4个轮廓来自SpectraCD，这些正常和异常晶片的测量结果来自相同库。与XSEM图像的排列类似，上面2个SCD轮廓来自正常轮廓晶片，下面2个轮廓来自异常轮廓晶片。无论是在正常轮廓还是异常轮廓情况下，SCD和XSEN的结果都符合得非常好。SCD方法得到的值对正常和异常轮廓具有明显的差异。根据图4，可以认为该方法能检测出隔离蚀刻多晶硅工艺的轮廓异常。
通常情况下，隔离和密集蚀刻多晶硅的轮廓是不同的。为了确认该技术检测密集蚀刻多晶硅轮廓异常的能力，可重复以上说明的试验。密集光栅间的间距为320纳米。图5所示为比较结果。密集光栅的结果和隔离光栅的结果差异，与正常和异常条件下的轮廓差异相比，相对较小。AE值确定了变化趋势。正常和异常轮廓下的n多晶硅AE值12纳米和17.8纳米（而隔离光栅对应的AE值分别为8.0纳米和30.9纳米）。N多晶硅的差异则更小。所有这些从XSEM图像观测到的特性都可以通过SCD得出的结果进行确认，并且该技术还可监测密集蚀刻多晶硅的特性。
此外，它还可检测出其它轮廓异常。另一组具有不同异常轮廓的晶片通过130纳米工艺制备，晶片上也均具有n多晶硅和p多晶硅位置。SCD数据显示出n多晶硅和p多晶硅的不同特性（表3）。N多晶硅的侧壁角均>90°，如底切结构。P多晶硅的侧壁角均接近>90°，但检测到细小缺角。参数dCD1（表3）是代表蚀刻多晶硅底部的小缺角或足部的因子。dCD1值为正代表为足部，而负值则代表缺角。例如，参数dCD1为-10纳米表明在蚀刻多晶硅底部具有宽度为10纳米的小缺角。对应的XSEM图像如图11所示，n多晶硅和p多晶硅XSEM图像与通过新方法获得的轮廓信息相当吻合。
表3中列出的dCD1值趋势与图6中列出的XSEM图像趋势完全一致。为了准确检验SCD得出的dCD1值，这里使用了XTEM图像。在蚀刻多晶硅晶片上切出6个光栅以收集XTEM图像。在每个光栅中，从5个不同蚀刻线条得到5幅XTEM图像。通过XTEM和新方法确定的小足部或缺角的尺寸和dCD1相关性，如图7所示。每个数据点代表1个SCD数据点和5个XTEM数据点的平均值。图7中共列出30幅XTEM图像。R平方值显示出良好的相关性，这表明SCD得出的dCD1与XTEM图像中的缺角/足部尺寸存在关系。根据此结果，我们认为SCD可用于监控传统非破坏性测量工具难于检测到的细小多晶硅足部或缺角异常。
电气数据Lcap相关性
新方法得出的底部CD与电气栅极长度Lcap具有相关性。Lcap代表从电容器多晶硅和栅极氧化物确定的栅极长度。使用单蚀刻多晶硅线条替代电容器，Lcap是10次蚀刻多晶硅线条的测量平均值。如图8为SCD方法的底部CD和Lcap之间相关性，包括n多晶硅和p多晶硅位置。每个数据点代表晶片的平均值，本次试验中共测量5片晶片。结果表明n型器件的R2相关性系数非常良好，对于p型器件结果的改进尚需进一步的研究和理解。
结论
在本论文中，我们讨论在130纳米和90纳米多晶硅ADI及AEI工艺中采用新技术以下3方面的作用：(1)作为先进的测量工具;2)检测蚀刻多晶硅轮廓异常和3)与电气检验结果的相关性。SpectraCD测量结果显示出较高的精度以及同CD-SEM测量结果之间的线性CD相关性。并且，新方法的测量能力还在130纳米和90纳米工艺节点上显示出底部CD与电气数据(Lcap)的线性相关性。该方法还能可靠地检测出蚀刻多晶硅的不同轮廓异常情况，包括足部、底切和缺角等。SCD得出的足部/缺角尺寸与XTEM所获得的尺寸吻合良好。根据这种关系，可以认为这一技术非常适合用于监控传统非破坏性测量工具难于检测到的细小多晶硅足部或缺角异常。